苑 旭，朱元駿,，劉文兆,，韓曉陽

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100)

黃土塬區(qū)麥田能量平衡特征

苑 旭1，朱元駿1,2，劉文兆1,2，韓曉陽2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室， 陜西 楊凌 712100；2.中國科學(xué)院水利部水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100)

以黃土塬區(qū)冬小麥田為研究對象，基于渦度相關(guān)數(shù)據(jù)分析麥田能量平衡的日變化、季節(jié)變化和能量分配特征及其主控因子。結(jié)果表明，長武塬區(qū)麥田全年獲得的凈輻射(Rn)為2.56×103MJ·m-2·a-1，渦度相關(guān)系統(tǒng)的能量閉合度達(dá)到0.72。冬小麥生育期內(nèi)，越冬期和灌漿期麥田主要能量支配項為感熱通量(H)，最大值出現(xiàn)在6月，為7.09 MJ·m-2·d-1；其他生育期和休閑期，主要能量支配項為潛熱通量(LE)，最大值出現(xiàn)在5月，為10.71 MJ·m-2·d-1。波文比(β)在生育期平均值為0.57，休閑期為0.46。土壤熱通量(G)年總量為-15.26 MJ·m-2·a-1，日總量最大值出現(xiàn)在6月，為1.85 MJ·m-2·d-1，10月至次年1月為負(fù)值，表現(xiàn)土壤釋放熱量。

冬小麥；渦度相關(guān)法；能量平衡；潛熱通量；感熱通量；黃土高原

黃土塬區(qū)是黃土高原重要的糧食產(chǎn)區(qū)，冬小麥?zhǔn)窃搮^(qū)的主要作物，區(qū)域太陽輻射資源豐富而水資源相對短缺。然而，關(guān)于黃土塬區(qū)農(nóng)田能量平衡方面的研究報道還比較少。本文利用麥田渦度相關(guān)系統(tǒng)[9-10]觀測數(shù)據(jù)，并結(jié)合同步微氣象資料進(jìn)行系統(tǒng)分析，以期闡明麥田能量平衡分量的時間變化、分配特征及其主控因子，為進(jìn)一步評價區(qū)域能量與水量平衡狀況及特征奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

觀測樣地設(shè)在中國科學(xué)院長武黃土高原農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站水熱通量觀測場，地處黃土高原南部陜甘交界處的陜西省長武縣洪家鎮(zhèn)王東村(北緯35°14′，東經(jīng)107°4l′，海拔1 220 m)。該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均降水584 mm，年均氣溫9.1℃，無霜期171 d，地下水埋深50～80 m，是黃土高原典型旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。觀測場位于黃土塬上，土壤類型為黑壚土，質(zhì)地均勻疏松。觀測場內(nèi)種植冬小麥，其生長季為每年10月至次年6月，地面平整，構(gòu)成大范圍均一的下墊面，滿足實驗要求盛行風(fēng)向的風(fēng)浪區(qū)長度[11]。

2 材料與方法

2.1 觀測方法

渦度相關(guān)系統(tǒng)安裝于1.86 m高度的伸展臂上，由三維超聲風(fēng)速儀(1210R3，Gill Instruments Ltd.，UK)和開路CO2/H2O分析儀(Li-7500，Li-Cor Ltd.，USA)組成，原始采樣頻率為10 Hz，數(shù)據(jù)傳輸由數(shù)據(jù)采集器(CR5000，Campbell Scientific Ltd.，USA)進(jìn)行存儲。冬小麥冠層上方還采用凈輻射傳感器(CNR-1，Kipp & Zonen，Netherlands)測量凈輻射，空氣溫濕儀(HMP-45C，Vaisala，F(xiàn)inland)測量空氣溫、濕梯度。將2個土壤熱通量板(HFP01，Hukse Flux，Netherlands)安置于土壤深5cm處用于測量土壤熱通量，同時進(jìn)行5層土壤溫度(地面以下2、10、20、40、80 cm，105-T，Campbell Scientific Ltd.，USA)和5層土壤濕度(地面以下2、10、20、40、80 cm，CS616，Campbell Scientific Ltd.，USA)的測定，這些要素均按30 min計算平均值進(jìn)行存儲。其他氣象因素由常規(guī)氣象觀測系統(tǒng)測定。觀測時間為2008年6月1日至2009年5月31日。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 渦度相關(guān)數(shù)據(jù)處理 近地面層是大氣邊界層的最底層，在該氣層內(nèi)空氣運動符合湍流交換規(guī)律，可以利用渦度相關(guān)法測定近地層大氣中熱量和水汽的垂直輸送通量。當(dāng)下墊面均勻一致時，在近地層內(nèi)潛熱通量、感熱通量計算公式如下[12]：

(1)

(2)

采用Edire軟件處理10Hz的原始數(shù)據(jù)，剔除野點，對風(fēng)速進(jìn)行二次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，計算30min的水熱通量均值，并對其進(jìn)行頻率響應(yīng)校正、AOA(Angleofattack)校正[13-14]、密度脈動和濕度校正[15]。受儀器故障、天氣等影響，渦度相關(guān)數(shù)據(jù)存在異常值或缺測[16]。缺失數(shù)據(jù)時間間隔小于或等于2h的采用線性內(nèi)插；大于2h的采用平均晝夜變化法[17-18]。

2.2.2 能量閉合計算 能量閉合狀況可以用來檢驗渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測結(jié)果的可靠性，即器測的湍流通量與可利用能量的平衡情況，方程為：

LE+H=Rn-G-S-Q

(3)

式中，Rn為凈輻射(W·m-2)，G為土壤熱通量(W·m-2)；S為地表到渦度相關(guān)系統(tǒng)觀測高度間的空氣與作物冠層儲熱(W·m-2)；Q為其他能量源和匯(W·m-2)。對裸地或植被低矮的生態(tài)系統(tǒng)，S和Q的數(shù)值通常很小，可忽略不計[19-20]。土壤熱通量G包括埋深5 cm的傳感器所測熱通量G0(W·m-2)和其上層土壤儲熱Gs(W·m-2)兩部分，其中Gs采用的計算公式如下[21-23]：

Gs=Zp×(ρwθCw+ρsCs)×

(4)

式中，Zp是土壤熱通量板安裝深度(5 cm)；ρw是水的密度(kg·m-3)；θ是土壤體積含水率(m3·m-3)；Cw是水的比熱容(J·kg-1·K-1)；ρs是土壤容重(1 300 kg·m-3)；Cs是干土比熱容(1 620 J·kg-1·K-1)；T1是2 cm土壤溫度(K)；ΔT是2 cm與Zp的土壤溫度差(K)；Δt是測定溫度的時間間隔(30 min)；5 cm土壤溫濕度由2 cm和10 cm土壤溫濕度線性內(nèi)插得到。

本文采用湍流通量(LE+H)和有效能量(Rn-G)[24-25]的線性回歸關(guān)系來評價能量閉合狀況。理想情況下斜率為1，截距為0，但實際情況(LE+H)往往比(Rn-G)小[19,24,26-27]。

3 結(jié)果與分析

3.1 能量閉合度分析

對湍流通量與有效能量全年30min平均值進(jìn)行閉合度分析(圖1a)，回歸直線斜率為0.65，截距是9.19W·m-2。如果強(qiáng)制通過原點，斜率增加到0.68。若考慮土壤熱儲量后再進(jìn)行能量閉合分析(圖1b)，回歸直線斜率提高到0.71，截距減小為4.24W·m-2。與上一次強(qiáng)制通過原點相比，斜率變?yōu)?.72，增加了7%，但與理想曲線(斜率為1)仍相差較大。Wilson等[19]對全球通量網(wǎng)(FLUXNET，http://fluxnet.ornl.gov/)站點的觀測數(shù)據(jù)分析表明斜率變化范圍是0.53～0.99，平均值為0.79，截距變化范圍是-32.9～36.9W·m-2，平均值為3.7W·m-2。Li等[26]對中國通量網(wǎng)(ChinaFLUX，http://www.chinaflux.org/)站點的觀測數(shù)據(jù)分析指出斜率變化范圍是0.49～0.81，平均值為0.67，截距變化范圍是10.8～79.9W·m-2，平均值為28.9W·m-2。長武站通量觀測場能量閉合度接近上述報道的平均值。

注:a.未考慮土壤熱儲量的能量閉合;b.考慮土壤熱儲量的能量閉合Note:a.soilheatstoragewasnotconsideredforenergybalanceclosure;b.soilheatstoragewasconsideredforenergybalanceclosure.

圖1 麥田能量閉合狀況

Fig.1Energybalanceclosureinwinterwheatfield

3.2 能量平衡分量的日變化

麥田能量平衡分量在大部分生育階段均有顯著的日變化趨勢。以圖2所示各生育階段平均日變化為例，凈輻射、潛熱通量和感熱通量都呈早晚低、中午高的“單峰型”曲線特征，日變化峰值出現(xiàn)的時間在不同生育階段并無明顯差異，均在14∶00前后。其他地區(qū)農(nóng)田研究[5-6]也發(fā)現(xiàn)潛熱通量、感熱通量和凈輻射日變化趨勢相似。凈輻射在日出后由負(fù)值逐漸轉(zhuǎn)為正值，即轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)田能量的收入項，午間達(dá)到最大值，其中抽穗期日變化峰值最大，為494.70W·m-2，而越冬期日變化峰值最小，為246.26W·m-2，日落前由正值逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)值。一天中剩余大部分時間表現(xiàn)為長波輻射能的損失。

圖2 麥田能量平衡分量日變化

Fig.2Diurnalvariationoftheenergybalancecomponentsinwinterwheatfield

潛熱通量同樣在抽穗期日變化峰值最大，為234.83W·m-2，而越冬期日變化峰值最小，為32.79W·m-2。在夜間空氣濕度較高和風(fēng)速較低的情況下，潛熱通量有時會表現(xiàn)為負(fù)值[30]。感熱通量在灌漿期日變化峰值最大，為201.62W·m-2，而出苗分蘗期日變化峰值最小，為52.58W·m-2。夜間出現(xiàn)逆溫層可使感熱通量為負(fù)值。白天潛熱和感熱通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夜間的潛熱和感熱通量，說明潛熱和感熱輸送主要受到太陽輻射強(qiáng)度的制約，與賈志軍等[6]對三江平原大豆田水熱通量的研究結(jié)論一致。

土壤熱通量在越冬期日變化平緩，而在其他生育階段都呈“單峰型”日變化。在白天，土壤熱通量表現(xiàn)為向下傳輸，即吸熱狀態(tài)。在夜間，有數(shù)小時表現(xiàn)為向上傳輸，即放熱狀態(tài)。吸熱與放熱狀態(tài)時間分配主要受到土壤溫度和植被生長狀況的影響?？傊?，農(nóng)田氣候季節(jié)變化和小麥生長狀況是影響能量平衡分量日變化的主要因素。

3.3 能量平衡分量的季節(jié)變化

3.3.1 不同月份能量平衡分量的變化特征 凈輻射日總量在年內(nèi)呈近似單峰變化(圖3)，其中雨季凈輻射的日間差異較大。全年凈輻射總量為2.56×103MJ·m-2·a-1，日總量峰值出現(xiàn)在7月份，為18.59MJ·m-2·d-1，但由于該月降水集中(降水天數(shù)17d，降水量134.8mm)，月平均值(10.90MJ·m-2·d-1)小于6月份(11.26MJ·m-2·d-1)。12月份平均值最小，為2.80MJ·m-2·d-1，分別小于1月份的3.40MJ·m-2·d-1與11月份的3.36MJ·m-2·d-1。土壤熱通量年總量為-15.26MJ·m-2·a-1，日總量最大值(1.85MJ·m-2·d-1)出現(xiàn)在6月。從10月至次年1月，土壤熱通量日總量始終為負(fù)值，即農(nóng)田土壤釋放能量。說明在該時段對整個系統(tǒng)而言，土壤是熱源，能量通過土壤向大氣傳送。

圖3 麥田能量平衡分量季節(jié)變化

Fig.3Seasonalvariationoftheenergybalancecomponentsinwinterwheatfield

感熱通量日總量從4月中旬開始隨凈輻射增加而增大，最大值(7.09MJ·m-2·d-1)出現(xiàn)在凈輻射最強(qiáng)的6月份，隨后逐漸降低。11月又開始出現(xiàn)略微增加趨勢，受凈輻射持續(xù)降低的影響，最后趨于平穩(wěn)。潛熱通量日總量從2月開始明顯增大，最大值(10.71MJ·m-2·d-1)出現(xiàn)在小麥生長旺盛的5月份，隨著小麥生長后期生理活動減弱，呈顯著降低趨勢。6月中旬以后，潛熱通量日總量又開始增大，至7月中旬達(dá)到第二個峰值，為9.08MJ·m-2·d-1。許多農(nóng)田研究[5-6,31]中發(fā)現(xiàn)降水量是影響潛熱通量的重要因子，大氣降水是黃土塬區(qū)麥田水分的主要來源，降水增加導(dǎo)致土壤含水量升高，有助于作物根系吸水并促進(jìn)土壤蒸發(fā)。因此，7月份麥田為裸地時潛熱通量日總量較高可能與降水量(7月份降水量比6月份增加51.4mm)增大、土壤含水量增高有關(guān)。

3月中旬，LE/Rn隨著小麥生長開始明顯增加(圖4)，最大值出現(xiàn)在5月份，而H/Rn變化平穩(wěn)。小麥進(jìn)入到生長后期，H/Rn超過LE/Rn，成為能量的主要支配項。隨后LE/Rn和H/Rn都進(jìn)入到平穩(wěn)變化階段，至12月中旬，H/Rn超過LE/Rn，成為能量的主要支配項。從2月中旬到9月，G/Rn一直呈平穩(wěn)變化，隨著土壤溫度降低，G/Rn開始迅速下降，在冬季土壤熱通量大部分時間都是向系統(tǒng)釋放熱量。從全年來看，感熱通量占凈輻射25.5%，而潛熱通量占51.3%，這一比例小于Lei等[8]在華北平原冬小麥-玉米輪作灌溉農(nóng)田的觀測結(jié)果(59%)和Suyker等[32]在美國中北部平原玉米-大豆輪作灌溉農(nóng)田的觀測結(jié)果(60%)，原因主要在于前面說到的渦度相關(guān)系統(tǒng)能量不閉合的因素影響。

3.3.2 不同生育階段能量平衡分量的變化特征 表1給出麥田各生育階段能量平衡分量和主要環(huán)境因子的變化情況。一年中各生育階段數(shù)值差異較大。在越冬期潛熱值出現(xiàn)最低，平均值為0.84 MJ·m-2·d-1，大部分能量轉(zhuǎn)化成感熱，平均值為1.32 MJ·m-2·d-1，土壤熱通量值也較小，平均值為-0.37 MJ·m-2·d-1。波文比(β=H/LE，即感熱通量H與潛熱通量LE之比)在出苗分蘗期小于1，潛熱通量成為能量的主要支配項，越冬期β值增大到1.58，感熱通量變成能量的主要支配項。進(jìn)入返青期后，隨著作物生長，β值減小至1以下，潛熱通量成為能量的主要支配項，直到抽穗期。灌漿期β值又增大至1.05，感熱通量超過潛熱通量，這可能與小麥生長后期蒸騰作用下降，潛熱通量相對減少有關(guān)。但成熟期后β值又開始小于1，并逐漸減小。整個生育期內(nèi)波文比平均值為0.57，高于Hernandez-Ramirez等[3]在美國中西部玉米田的觀測結(jié)果(0.39)和大豆田的觀測結(jié)果(0.30)。從表1中可以看出，除了受農(nóng)田物候變化的影響，氣候條件和土壤狀況也是β值季節(jié)變化的重要影響因子。

圖4 麥田能量分配比率季節(jié)變化

Fig.4 Seasonal variation of the ratio of energy partitioning in winter wheat field

表1 不同生育階段能量平衡分量與主要環(huán)境因子的平均值變化情況

注：Ts為5 cm土壤溫度；SWC為5 cm土壤體積含水量；Ta為空氣溫度；P為降水量。

Note:Tsis soil temperature at 5 cm depth;SWCis soil water content at 5 cm depth;Tais air temperature;Pis precipitation.

4 結(jié) 論

1) 潛熱通量和感熱通量之和比較于凈輻射和土壤熱通量之差，所給出的長武站麥田渦度相關(guān)系統(tǒng)能量閉合度為0.72。凈輻射、潛熱通量和感熱通量在不同生育階段日變化均呈“單峰型”， 日變化峰值出現(xiàn)的時間在不同生育階段并無明顯差異。受到太陽輻射強(qiáng)度與作物生理活動變化的制約，白天潛熱和感熱通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于夜間的潛熱和感熱通量。土壤熱通量在越冬期日變化平緩，而在其他生育階段日變化模式與其他分量基本相同。農(nóng)田氣候季節(jié)變化和冬小麥生長狀況是影響能量平衡分量日變化的主要因素。

2) 麥田凈輻射全年呈單峰變化，雨季凈輻射的日間差異較大主要受降水的影響；感熱通量和潛熱通量季節(jié)變化主要受凈輻射的影響，同時冬小麥生長狀況和降水也是影響潛熱通量季節(jié)變化的主要因素；土壤熱通量從10月至次年1月主要表現(xiàn)為土壤釋放熱量，其他時間主要表現(xiàn)為吸收熱量，其變化過程主要受土壤溫度梯度及植被覆蓋狀況影響。

3) 麥田全年主要以潛熱的形式進(jìn)行能量交換。冬小麥生育期內(nèi)，β值在越冬期平均為1.58，灌漿期略大于1，感熱通量為能量主要支配項；其他生育期和休閑期小于1，潛熱通量為能量主要支配項。除了受農(nóng)田物候變化的影響，氣候條件和土壤狀況也是β值季節(jié)變化的重要影響因子。

致謝：本研究得到了中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所王介民研究員的指導(dǎo)，在此對王老師的幫助表示誠摯的感謝。

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Characteristics of energy balance in winter wheat field on the Loess Tableland

YUAN Xu1, ZHU Yuan-jun1,2, LIU Wen-zhao1,2, HAN Xiao-yang2

(1.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China；2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

In this paper, eddy covariance data from a winter wheat field on the Loess Tableland were used to investigate the temporal variation of energy components, as well as the characteristics of energy partitioning and its main controlling factors. Results showed that the total net radiation (Rn) throughout the year was 2.56×103MJ·m-2·a-1, and the energy balance closure degree was 0.72. In the wintering and grain filling periods, the energy components were dominated by upward sensible heat flux (H), with a maximum value of 7.09 MJ·m-2·d-1occurring in June. However, in other growing stages and the fallow period, the energy components were dominated by upward latent heat flux (LE), with a maximum value of 10.71 MJ·m-2·d-1occurring in May. The average of Bowen ratio (β) was 0.57 in growing season and 0.46 in the fallow period. The annual total amount of soil heat flux (G) was -15.26 MJ·m-2·a-1. The daily total amount of soil heat flux (G) reached a maximum value of 1.85 MJ·m-2·d-1in June, and it was negative from October to the next January, which showed the release of heat from soil.

winter wheat; eddy covariance method; energy balance; latent heat flux; sensible heat flux; Loess Plateau

1000-7601(2017)02-0227-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.37

2016-01-11基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(41571036)；公益性行業(yè)(氣象)科研專項(重大專項)(GYHY201506001)

苑 旭(1988—)，男，吉林松原人，碩士，主要從事流域管理研究。E-mail:yuanxu833@126.com。

劉文兆(1960—)，男，陜西乾縣人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事水文生態(tài)與流域管理研究。 E-mail:wzliu@ms.iswc.ac.cn。

P422.4

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